沉樁擠土效應對工程環境的影響及研究綜述

李富榮,王照宇

(鹽城工學院土木工程學院,江蘇鹽城224051)

在我國,隨著城市化規模不斷擴大,城市化發展呈現房屋高層化、立體交通化及市政管線密集化等趨勢,且大量的市政設施埋置在地下,如污水渠道、煤氣和供水供電系統、通訊系統等。與此同時,靜壓樁以其樁身的質量易于保證和檢查,價格相對較低,以及施工工效高,無泥漿、無噪音污染等優勢,成為目前我國工業與民用建筑中,特別是軟土地基上的建筑廣泛采用的樁型之一。

靜壓樁沉樁過程中,樁周土體運動復雜,樁身端部以下土體產生壓縮變形。隨著樁貫入壓力的增大,當樁端處土體所受壓力超過其抗剪強度時,土體發生急劇變形而破壞,樁側土體產生塑性流動(粘性土)或擠密側移和拖帶下沉(砂性土),樁端下土體被向下和側向壓縮擠開。地表處粘性土體向上隆起,地面深處由于上覆土層的壓力,土體主要向樁周擠開,使貼近樁周土體結構完全破壞,周圍土體亦受較大的擾動影響,而樁身受到土體強大的法向抗力所引起的樁周摩阻力和樁端阻力的抵抗。

可見,靜壓樁作為擠土樁,在施工過程中,擠土效應的影響范圍和擠土的力是相當大的,對周圍環境的影響是不可忽視的,特別是在飽和軟土地區,對基礎埋深淺,結構較差的建筑物和對變形敏感的地下管線,如地鐵、隧道、煤氣管道、自來水管道等危害更大,經常發生房屋開裂煤氣泄漏等事故。如南京金陵飯店(37層),當中央塔樓下64根樁沉樁施工完成后,發現場地兩側隆起44 cm,樁上浮2 cm,最大上浮為7.3 cm,樁頂水平位移26.5 cm。南京長江大廈采用擠土樁基礎,施工中就發現將其西側人行道擠抬起,圍墻擠傾斜。

由于沉樁擠土效應對周圍工程環境的顯著影響。國內外學者從單樁擠土效應到群樁擠土效應,從理論研究到試驗研究,從擠土效應本身到擠土效應對周圍環境的影響等多方面對沉樁擠土效應問題開展了大量研究工作。

1 沉樁擠土效應對工程環境的影響

沉樁時產生的擠土效應以及對周圍環境的影響是多方面的,對于軟土地基,主要有以下幾點:

(1)沉樁導致周圍土體產生變形,包括水平位移和垂直隆起。沉樁時,由于樁要置換相同體積的土,對周圍土體產生側向擠壓,引起土體水平位移,過量的土體水平位移作用在先前打入的樁上,會造成樁位的偏移、樁身的翹曲,嚴重時甚至造成樁的折斷。同時,還會在一定范圍內造成地面的垂直隆起和抬高,在沉樁范圍內有可能造成已沉入樁的上浮。

(2)靜壓樁擠土效應引發的環境問題。土體的水平位移和垂直隆起會對沉樁范圍外一定距離內的建(構)筑物造成損壞,如造成鄰近建筑物、構筑物、道路、擋土結構以及地下設施和管線的一定程度破損等。常常表現為:地坪開裂、已打入樁的樁頂偏位、道路開裂、鄰近建筑物上抬、門窗開啟困難、工業廠房行車困難、地下管線變位和開裂等。

(3)沉樁過程中,特別是在飽和軟粘土中沉樁,會產生很高的超孔隙水壓力。當超孔隙水壓力達到一定數值時,環向的有效應力會出現負值,也即拉應力,而切向有效應力也可能出現負值,影響樁基的承載力;過高的超孔隙水壓力也妨礙施工的速度,甚至威脅鄰近建筑物和構筑物的安全;當土中某一方向上有效應力為零時,則與之垂直的方向上會出現裂縫,也即“水裂”現象。

(4)沉樁時土體的原始結構被破壞。樁對土體的擾動,使樁身周圍土體的應力狀態發生變化,尤其對于具有一定結構強度的結構性軟粘土,樁周土體實際上是一個被撕裂、破壞、擾動和重塑的過程,土體工程性質較沉樁前有較大的改變。

2 理論研究

用理論來研究沉樁引起的樁周土體的應力狀態變化、孔壓的產生和消散、樁周土體的強度變化、樁的極限承載力的變化以及沉樁擠土效應等現象由來己久,從20世紀70年代起,國內外在這方面做了不少工作。歸納起來,主要有以下三種方法:圓(球)孔擴張法、有限單元法、應變路徑法。

2.1 圓孔擴張法

前人通過對模型樁和真實樁沉樁過程的觀察,發現在沉樁過程中,樁尖處土的變形類似一球形孔擴張引起的變形。而在除樁尖和地面附近外的絕大部分樁身周圍,土的變形類似一個圓柱形孔擴張引起的變形。

圓孔擴張理論于1945年被首先提出[1],用于研究金屬壓痕問題。隨后開始用這種理論解決巖土力學問題,如用于解釋旁壓試驗機理,并得到了很大的發展。

20世紀70年代以來,圓孔擴張理論成為求解沉樁對周圍土體影響應用最廣泛的一種方法[2-5]。近20 a來,國內不少學者利用圓孔擴張理論對沉樁擠土效應進行研究,也取得了不少成果[6-10]。

圓孔擴張法可以考慮樁體擴張對土體的影響,形式較為簡單,可以較好地給出軸對稱或球對稱情況下的應力場、應變場和孔隙水壓力,并得到了廣泛的應用,具體來說有以下三大優點:①將樁模擬為一維擴張問題,易于求解;②由于求解的簡單,可以考慮更復雜的土體模型以及大應變等其他方面;③由于圓孔擴張理論所用的參數可為一般標準試驗得到或間接得到,易于在工程中得到應用。但它只是平面應變的假定,土體的變形僅限于徑向,將一維的圓孔擴張解應用于樁體貫入這樣一個三維問題,導致其解只與徑向坐標r有關,而與坐標深度無關,并忽略孔壁摩擦力的影響,對于壓樁引起的變形分析不盡合理。

2.2 應變路徑法

麻省理工學院Baligh[11]領導的小組經過10 a的研究,提出了應變路徑法。這種方法假定,土體中產生的變形不是由應力控制,而是由不旋轉的無黏性理想流體來決定的,在不考慮土體本構關系的情況下,推廣對速度積分求得變形,然后由微分求出應變,將樁體貫入模擬為單個邊界以速度v擴大的球形孔沿豎向勻速運動,通過對應變路徑的描述,即三個偏應變的分析,從而得出樁體貫入過程中土體位移和應變的變化情況,并得到了一些有意義的結論:①發現樁周一定范圍內土體存在“應變反轉”和主應力旋轉現象,土體有可能由“壓”變為“拉”,這種現象將對應力和孔壓產生顯著影響;②證實了沉樁時土體可分為“塑性區”和“彈性區”兩部分;③指出了考慮土體“擾動”后性質變化的重要性。所以,Baligh等人的研究有其獨到之處,它可以給出貫入過程中土體應力、位移分布的大致情況。但是,Baligh提出的應變路徑法也有其缺點,它忽略了地表面是自由面的邊界條件,得出所有的土體單元都具有向下的位移,這與沉樁時地表面會發生隆起的實際情況不符合,因此,這種方法只適合樁端附近的應變場,而對于遠離樁端的應變場則很難得到一個合理的結果。隨后Baligh(1986)[12-13]在利用應變路徑法得出沉樁時位移及應變場的基礎上,推導了相應的剪應力及孔壓規律。

在沉樁過程中,應變路徑法是一種非常有效的方法。Poulos(1994)[14]應用該方法分析了單樁沉入過程中樁周土體的水平和垂直位移以及土體位移對己打入樁的影響。

2.3 有限單元法

由于沉樁問題的復雜性,求得解析解或近似解往往會遇到很大困難,這時數值方法就成為解決問題的有效工具。在過去20 a、30 a中,有限元法被廣泛應用于分析樁的工作機理。在分析靜力沉樁過程方面的研究集中體現在Chopra[15]和Mabsout[16]的工作上。

有限元分析方法在一定程度上能夠考慮土體的本構關系、大變形和樁土相互作用。但還存在如下的問題:①編制能夠考慮幾何大變形、材料非線性、樁土摩擦的三維的符合實際情況的程序很難,并且還要考慮壓樁機的作用和重力初應力場等,目前研究人員所用的程序都是在某些方面作了簡化處理;②貫入過程難于精確模擬,在真實情形下,樁周圍土體與靜止不動時產生不同的豎向和側向應力,并且隨貫入的進行,土體應力亦發生變化。目前的有限元還難于模擬;③有限元計算精度嚴重依賴于本構模型的選用和參數的確定,在現有土工試驗水平的基礎下,常規的原狀土的三軸應力應變關系尚不普遍,更不要說模擬受擠壓后土體的本構關系了;④邊界條件的模擬:理想條件下地表面下無窮遠處土體豎向位移和距樁邊水平無窮遠處土體水平位移為零,但有限元分析中必須指定有限遠處的土體位移為零,由此必然產生誤差;⑤群樁的擠土效應分析目前難以模擬;⑥土體裂縫問題:實際壓樁過程中,在地表面和土體中都有裂縫產生,目前的有限元方法還無法有效模擬;⑦計算機耗時問題:雖然計算機的性能得到了大幅度提高,但沉樁涉及幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等復雜問題,如采用不適當的分析方法會耗時過多,從而不能很有效地分析和解決問題。

可見,國內外學者已經在沉樁擠土效應方面取得了豐碩的研究成果,但理論研究仍存在一些難度或問題,要更好地解決沉樁擠土效應問題,應將理論研究與試驗研究相結合,大型模型試驗和現場試驗的研究成果更具指導意義,從而推動沉樁擠土效應理論的發展。

3 試驗研究

3.1 現場實測

3.1.1 對土體的剪切強度的影響

實測結果表明,沉樁的初始階段黏土的不排水剪切強度減小很多,隨后會隨時間增長而顯著恢復。沉樁瞬時樁周土在含水率為常量的條件下重塑,土體的原狀結構受到破壞,不排水抗剪強度大幅度下降,隨后由于土體的觸變性和超靜孔壓的消散,抗剪強度逐漸恢復[17-18]。

3.1.2 沉樁時引起的樁周土體超靜孔隙水壓力

沉樁時樁周土體會產生較高的超靜孔隙水壓力,一般情況下,樁周附近土體的超靜孔壓最大,隨著離樁表面距離的增加,超靜孔壓急劇降低且消散也比較迅速。超靜孔隙水壓力值有時會達到一個很大的值,甚至大于土體的附加有效應力[19]。

3.1.3 沉樁過程中產生的土體位移

一些學者直接用樁周土體的隆起量占樁壓入土體的總體積的百分比來衡量樁擠土性的大小。即,平均隆起量=α×樁的體積/樁基礎所占的面積。式中,α為排土量占整個樁體積的百分比。Avery&Wilson測得 α為60%;orrje&Broms[20]發現鋼筋混凝土預制樁在靈敏的軟粘土中 α僅為 30%,Adams&Hanna[21]發現H形鋼樁壓入較硬的土體中時,α為100%;Hagerty&Peck[22]發現非靈敏粘土中α為50%左右,并基于樁身受力平衡對鄰樁上浮量作了估計。土體隆起量測量結果差異既與土體的特性有關,也與測量技術差等因素有關。

Randolph等[23]和 Cooke&Price等[24]對樁中段的樁周土水平位移進行了測量;Hmamond[25]對樁的上浮做了測量。學者們對樁周土的水平位移的變化規律的觀點基本一致,認為隨著距樁中心的距離的增大,水平位移減小,且呈指數形式衰減。

3.2 室內模型試驗

在對沉樁的擠土效應進行實測研究的同時,國內外學者還進行了室內模型試驗研究。國外學者中典型的沉樁試驗有[28]:Banerjee等利用模型固結試驗箱做粘土擠土效應試驗,樁體上裝有器件可測軸力、側向土壓和孔壓,土體內離土體一定范圍的不同深度埋設4只孔壓儀,將沉樁過程及再固結過程中觀測到的樁周土體的應力、孔壓與大應變有限元(貫入分析)和小應變有限元(固結試驗)計算結果及圓孔擴張結果作了比較,結果皆較為吻合。Azzouz等用裝有PLS(Piezo-Letaral Stress)壓力盒的模型樁沉入兩種粘土層中,這種壓力盒可以同時量測作用在樁身上的水平總應力、孔隙水壓力和剪應力。主要結論:應變路徑法比圓孔擴張更好的接近實測,而土的敏感度對作用在樁側的有效應力影響較大。當然該試驗著重對樁體側摩阻性狀的分析。

我國學者中,劉祖德等提出了顯微鏡跟蹤法,應用于模型槽試驗中;河海大學巖土工程研究所已于1996年建造起一座大型多功能模型試驗槽,側面設有有機玻璃窗;丁佩明利用該模型槽進行了砂土中的靜壓樁試驗,通過在土體中按一定的距離在垂直于試槽玻璃方向埋設長度小于5 mm的大頭針,取得了有關壓樁產生的土體位移的一些成果[29]。樊良本、朱國元[30]為驗證圓孔擴張理論解釋單樁周圍土的應力狀態的適用性,設計了模型樁試驗。試驗裝置采用K0儀,并將其加荷帽作了改進。K0儀試驗原是在無側向膨脹條件下對土樣施加軸向荷載的同時測定其側向應力,從而可求出土的側壓力系數K0值。改進后的加荷帽有利于在對土樣施加軸向固結荷載的同時沉入模型樁。通過在直徑為D的土樣中沉入不同直徑的模型單樁(鋼樁),測定土樣周界上(p=D/2)的總徑向應力增量,用以與理論值比較。陳文[31]通過靜壓樁在不同粘土中貫入的離心模型試驗,對樁體貫入飽和粘土時的土體位移和初始超孔壓進行了研究。徐建平等[32]通過靜力壓入單樁和雙樁的模型試驗,研究了沉樁的擠土效應,獲得了沉樁過程中土體位移隨水平和深度方向變化的規律,并對壓入單樁與雙樁的試驗結果進行了比較分析。丁佩明通過砂土中沉樁模型試驗,研究了沉樁對砂性土的擠密效應。何杰等[33]通過室內模型試驗,比較分析了靜壓楔形樁及等截面樁的擠土效應。張述濤等[34]比較分析了均質地基和雙層地基的最終土體位移場,得出靜壓樁在雙層地基中,由于軟硬土層間的相互作用,所產生不同于均質地基情況下的土體變形規律。張建新等[35]基于室內模型試驗,分析了群樁順序壓入土體后所引起的土體變形規律、超孔隙水壓力的變化和沉樁前后土體的微觀結構特征。詹樂等[36]研究邊坡坡頂鄰近處群樁的壓入對邊坡土體位移的影響規律,得出了群樁壓入過程對邊坡土體位移的影響規律。

4 存在問題

靜壓樁在工程應用方面優點較多,其擠土效應的研究越來越受到國內外學者的廣泛關注,但尚存在以下一些問題:

(1)理論研究相對滯后,不能更好的指導工程實踐。通過理論研究沉樁擠土效應問題由來己久,但仍然相對滯后。

(2)擠土效應研究基本局限于單樁或單排樁的研究。在實際樁基工程中,擠土效應引發的工程問題大部分是由于群樁擠土效應引起的。目前,對沉樁擠土效應的研究主要集中在單樁或單排樁,對群樁擠土效應研究較少。

(3)在試驗研究中,現場試驗反映的是工程實際情況,觀測數據更加可信。但是,由于各個試驗現場的條件差異很大,各種復雜的因素都會對最終的試驗結果產生影響,因此現場試驗的結論有一定局限性,且現場試驗成本較高,不能廣泛開展。

模型槽試驗過于依賴其尺寸和采用的邊界模型,但存在尺寸受限、邊界效應、相似比等問題,其成果只能作為定性分析,而無法得到精確的定量成果。而離心模型試驗能夠很好地解決土體自重的模擬問題,是一種較好的研究方法,但成本較高,有條件應優先采用。

(4)研究只限在擠土效應機理的本身,基本忽略了群樁擠土效應和相鄰建(構)筑物、市政道路、地下管線等周圍工程環境的相互作用,實際上,這才是研究擠土效應的最終目的。

(5)控制擠土效應基本都是被動措施,這無形中增加了工程造價,甚至會造成一定的浪費。

5 結 語

本文介紹了沉樁擠土效應對工程環境的影響,并分析了擠土效應在理論研究、現場實測、模型試驗等方面的研究成果以及存在的問題。隨著靜壓沉樁的廣泛應用,出現的問題也必將逐步得到解決。為此,作者做如下建議:①通過大型模型試驗,特別是破壞性試驗,研究擠土效應問題;②充分重視群樁擠土效應及其與周圍環境相互作用問題的研究;③在新型樁基方面,提出擠土效應的主動控制措施;④收集資料,總結工程經驗,與理論相結合,研究擠土效應問題。

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